钢骨混凝土柱的受力性能研究

杨包生

[摘要] 通过钢骨高强混凝土柱的承载力试验和在低周反复水平荷载作用下的试验研究，分析了长细比对柱受力性能的影响以及轴压比、配箍率及钢骨形式对柱抗震性能的影响。由试验得出钢骨高强混凝土长柱的承载能力随试件长细比的增大而降低，随混凝土强度等级的提高而提高，破坏的突然性随长细比的增大而俞益明显；另外，研究发现钢骨高强混凝土柱的抗震性能除对轴压力系数敏感外，钢骨形式也是一个重要的影响因素，对于钢骨形式不同的钢骨高强混凝土柱，可适当调整其轴压力系数限值，而配箍率的影响则并不显著。

[关键词] 钢骨高强混凝土柱轴压力系数长细比

1.概述

随着现代建筑的发展，建筑物的高度、跨度不断增加，传统的钢筋混凝土结构已经满足不了现代建筑的要求。因为高层、超高层建筑结构底部柱子所受的轴向压力很大，如仍采用钢筋混凝土柱，由于受轴压比的限制，导致柱截面尺寸非常大，不仅影响使用功能，而且往往形成不利于结构抗震的短柱。大量试验表明，钢骨混凝土柱由于钢骨分担了部分轴力，可以有效减小混凝土部分的轴压比，提高柱的抗震性能。因此，钢骨混凝土柱，特别是钢骨高强混凝土柱在现代建筑中得到了较为广泛的应用。日本是一个多地震国家，地理条件促使它必须找到一种抗震性能和适用性都比较好的结构形式，多次大地震的实践使其选择了钢骨混凝土结构。到1985年，钢骨混凝土结构的建筑面积已经占总建筑面积的62.8%，10～15层高层建筑中钢骨混凝土结构的建筑物幢数占总数的90%左右。

钢骨混凝土构件的内部钢骨和外包混凝土形成整体、共同受力，其受力性能优于这两种结构的简单叠加。

2.试验研究

2.1试验概况

为评价钢骨混凝土柱的受力性能，做了两种试验。第一种是正截面承载力试验，试件8根，分两批制作，第一批试件六根，共分三组，每组两根，每组长度相同，三组试件长度分别为2.80m、3.50m、4.10m，截面尺寸为180×160mm，内含Q235热轧I10工字钢，为轴心受压柱，编号为SRHC-A1～SRHC-A6；第二批试件2根，长度相同，试件长度为3.20m，试件上下设有柱头，柱头截面尺寸为240×160 mm，柱身截面尺寸为180×160mm，为偏心受压柱，编号SRHC-E1～SRCH-E2。见图1，试件参数详见表1。第二种是低周反复水平力作用下的静力试验，试件6个，柱截面和配筋见图2，试件参数详见表2。

2.2试验结果

2.2.1柱的稳定承载力试验研究

柱的正截面承载力试验表明：对于轴心受压试件，除试件SRHC-A1、A2发生材料破坏外，其余试件的破坏形态均为失稳破坏。全过程大致分为两个阶段:

1.线性阶段

在极限荷载前，试件跨中截面材料的纵向应变和侧向变形都随荷载的增加按比例增长，但侧向变形较小或开展不很明显；只是在极限荷载的90％以后，由于初始缺陷的影响，变形开展增加，跨中截面压力较大侧钢骨和混凝土纵向应变增加加快。

2.破坏瞬间

在到达极限荷载的瞬间，荷载随即开始下降，而跨中侧向变形迅速发展，受二阶效应影响，跨中截面弯曲内侧混凝土压应变急剧增加，出现纵向裂缝，外侧混凝土相应产生1～3条横向裂缝，裂缝多产生于箍筋处，试件宣告破坏。所有试件柱破坏时都伴有较大响声，跨中截面受压较大侧钢骨翼缘在破坏瞬间屈服，混凝土块崩出，该侧箍筋有明显鼓出现象。对破坏后的试件检查发现，受压较大侧钢骨与混凝土粘结已破坏。

第一批试件尺寸及配筋图（SRHC-A1～SRHC-A6）

第二批试件尺寸及配筋图（SRHC-E1～SRHC-E2）

图1 试件尺寸及配筋图

图2试件截面尺寸

偏心受压试件的破坏形态均属于小偏压破坏，即压区混凝土先于拉区钢骨达到极限压应变。破坏全过程分为三个阶段：

（1）线性阶段

在极限荷载的85%以前,试件纵向应变和侧向变形都随荷载的增加按比例增长，压区应变开展快于拉区，侧向变形开展较为明显。

（2）塑性发展阶段

极限荷载85％以后，由于具有初始偏心，跨中侧向变形开展加快，跨中截面受压区钢骨翼缘屈服，边缘混凝土压应变增加加快，压应变超过混凝土最大压应变，材料进入塑性阶段，受拉侧出现1~3条横向细小水平裂缝。

（3）破坏阶段

到达极限荷载后，随承载能力下降，侧向变形迅速开展。压区混凝土出现纵向裂缝，并很快被压碎，试件破坏时都伴有较大响声，拉区横向裂缝开展加快，压区钢骨翼缘屈服，压边箍筋有明显鼓出现象。与钢骨混凝土短柱相比，长柱破坏时，挠度的变化幅度较大，有较明显的破坏预兆。从整体破坏形态看，长柱的钢骨与混凝土具有较好的整体工作性能，破坏发生在柱中部。

通过对钢骨高强混凝土受压长柱试验过程和结果分析，可以得出以下结论:

（1）钢骨高强混凝土轴压长柱的稳定承载力随试件的长细比的增大而降低；

（2）钢骨高强混凝土轴心受压长柱试件的破坏分为两个阶段：线性阶段和破坏瞬间；

（3）随混凝土强度等级的提高，轴压试件的稳定承载能力得到提高；

（4）钢骨混凝土偏心受压长柱承载力随初始偏心距的增大而降低；

（5）偏心受压长柱的破坏形态分为三个阶段：线性阶段、塑性发展阶段和

破坏阶段。

2.2.2柱抗震性能的试验研究

低周反复水平力作用下的静力试验表明，轴压力系数和体积配箍率是影响钢骨高强混凝土柱的抗震性能的两个重要参数。随轴压力系数的增加，钢骨高强混凝土柱的延性和耗能能力均变差；轴压力系数从0.41提高到0.45，试件的位移延性系数降低了17%；而在轴压力系数一定时，提高柱的体积配箍率，可以相应地改善柱的延性、增强柱的变形能力等。配箍率从0.8%提高到1.6%时，柱的位移延性系数提高了3.5%、极限层间转角增大了19.2%。可见，在其它参数相同的情况下，随轴压力系数的增加，钢骨高强混凝土柱的抗震性能减弱，而提高柱的体积配箍率，则可在一定程度上改善其抗震性能。

3.结论

由于钢骨混凝土结构具有一系列的优点，在实际工程中的应用也变得越来越为广泛，而且随着现代建筑结构的发展，其抗震性能的应用和长柱的使用将会有很大的发展空间，但是，由于钢骨混凝土结构本身的复杂性，本文所做的工作只是初浅的探讨，还有很多工作有待于进一步研究，如：含钢率和剪跨比对钢骨高强混凝土柱轴压力系数限值的影响以及对应于不同轴压力系数限值的合理含钢率、配箍率的确定；不同钢骨形式的钢骨高强混凝土柱轴压力系数限值的取值范围；在钢骨高强混凝土柱中，钢骨与混凝土轴力分配关系的进一步确定等。另外，本文只是初步研究偏心长柱的受力性能，但在实际工程中，绝对的轴心受压柱是不存在的，而是处于偏心受力状态，因此有必要对偏心长柱进行更为全面的研究。